陳 磊，許 燕,2，李建軍，魏正英,2，周建平,2

(1.新疆大學(xué) 機械工程學(xué)院,烏魯木齊 830047；2.西安交通大學(xué) 機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室,西安 710054)

?

基于WSN和GSM的智能灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

陳 磊1，許 燕1,2，李建軍1，魏正英1,2，周建平1,2

(1.新疆大學(xué) 機械工程學(xué)院,烏魯木齊 830047；2.西安交通大學(xué) 機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室,西安 710054)

針對干旱區(qū)滴灌系統(tǒng)中智能灌溉和遠程自動化的需求，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)和全球移動通信系統(tǒng)(GSM)，設(shè)計并研發(fā)了一套可自動控制現(xiàn)場設(shè)備的智能灌溉控制系統(tǒng)。系統(tǒng)中的WSN將低功耗的現(xiàn)場控制單元和數(shù)據(jù)采集單元與節(jié)能型路由協(xié)議結(jié)合，延長了WSN農(nóng)田信息采集的生命周期；基于GSM中的SMS(Short Messaging Service)技術(shù)，將需求命令下發(fā)到上位機控制平臺；系統(tǒng)通過處理灌溉區(qū)的相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)并進行分析，進行一定的自學(xué)習及再學(xué)習，可實現(xiàn)對現(xiàn)場設(shè)備自動控制。在新疆喀什市麥蓋提縣規(guī)模化節(jié)水灌溉增效示范基地的應(yīng)用試驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)能適應(yīng)惡劣的自然環(huán)境，操作簡易，具有較好的魯棒性，可進行廣泛的推廣應(yīng)用。

無線通信；智能灌溉；自學(xué)習；自動控制

0 引言

干旱區(qū)農(nóng)田灌溉用水量對作物生長有著直接的影響，先進的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)能有效地提高農(nóng)民的收入，對水資源的管理也起到很大的作用[1]。大范圍、實時、連續(xù)高效地獲取農(nóng)情信息是自動化農(nóng)業(yè)發(fā)展中需要解決的重要問題。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取在很大程度上依賴于密集的農(nóng)業(yè)機械作業(yè)和人力勞動，成本高、效率低下，且所獲數(shù)據(jù)在覆蓋范圍和實時性等方面無法滿足自動化農(nóng)業(yè)的需求[2]。在一些發(fā)達國家，如以色列、美國、加拿大等，自動化控制技術(shù)發(fā)展比較成熟，已開發(fā)了智能化程度和控制精度較高的智能灌溉系統(tǒng)，而且得到了廣泛的應(yīng)用。我國從20世紀70代首次將搖桿技術(shù)引進到農(nóng)業(yè)灌溉中，相比發(fā)達國家的自動化農(nóng)業(yè)，起步晚，自動化程度不高。國內(nèi)的一些研究所和高校也開發(fā)了針對智能灌溉的控制系統(tǒng)，但大都停留在實驗研究和示范階段[3-4]。

本文考慮到西北地區(qū)當前農(nóng)田無光纖寬帶覆蓋的灌溉現(xiàn)狀，介紹了自主開發(fā)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與全球移動通信系統(tǒng)的自動灌溉控制系統(tǒng)(以下簡稱系統(tǒng))。該系統(tǒng)可根據(jù)采集到的農(nóng)田信息實現(xiàn)自動化灌溉,也可通過手機下發(fā)命令需求進行定時、定量灌溉，有效地降低了水資源的浪費，解決了經(jīng)濟不發(fā)達地區(qū)遠程灌溉的難題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)由信息采集平臺、下位機控制平臺、無線通訊平臺及上位機控制平臺構(gòu)成，如圖1所示。

本系統(tǒng)將地塊劃分5個區(qū)域，每個灌溉區(qū)均布置有一個小型氣象站，12個土壤溫度、濕度傳感器，24個電磁閥。

下位機通過建立的小型局域網(wǎng)來采集所需灌溉信息，并通過節(jié)能型路由協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器將融合的數(shù)據(jù)打包后通過170MHz的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊上傳至服務(wù)器控制平臺；控制平臺將此數(shù)據(jù)進行分解、處理、分析后通過智能灌溉模塊將測得的空氣溫濕度，光照強度、土壤溫濕度及空氣風速信息，預(yù)測出何時需要灌溉；并對泵房內(nèi)的設(shè)備進行自動控制，同時對布置在農(nóng)田中的電磁閥進行關(guān)閉/打開；控制平臺推理計算得到的控制決議，通過TC35i模塊以短信的形式發(fā)送到固定的用戶手機上，用戶可發(fā)送中英文短信下發(fā)控制命令對現(xiàn)場的設(shè)備實現(xiàn)遠程控制。

1.2 系統(tǒng)技術(shù)方案

系統(tǒng)在每塊區(qū)域中放置一個小型氣象站(見圖2)，土壤溫濕度傳感器，能夠?qū)崟r采集該地塊的空氣溫濕度、空氣風速、降雨量及土壤溫濕度。每塊區(qū)域中均安裝具有獨立編號的電磁閥，用來開啟或關(guān)閉各控制區(qū)域的水路。各傳感器均與下位機MSP430F5222單片機連接，并通過ZigBee通訊模塊建立的節(jié)能型路由網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器MSP430F5222單片機進行通信，協(xié)調(diào)器同時監(jiān)測服務(wù)器控制平臺的命令，控制各灌區(qū)水路的開啟與關(guān)閉。服務(wù)器控制平臺上安裝有通過Delphi開發(fā)的上位機客戶端控制軟件及數(shù)據(jù)庫；自行開發(fā)的裝有SIM卡的首部運行控制器通過RS232接口與PC機相連接，該控制器中的TC35i無線數(shù)傳模塊可實現(xiàn)用戶與現(xiàn)場設(shè)備的遠程人機交互。

用戶可通過GSM網(wǎng)絡(luò)向控制器下發(fā)SMS格式的控制命令，控制泵房內(nèi)的設(shè)備(水泵，施肥器等)；用戶可通過整個無線網(wǎng)路對現(xiàn)場泵房內(nèi)的設(shè)備狀態(tài)信息進行查詢，發(fā)布自動輪流灌溉命令，查詢各地塊電磁閥的狀態(tài)信息，了解農(nóng)田的氣象、墑情信息。

圖1 智能灌溉控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 農(nóng)田小型氣象站安置圖

2 農(nóng)田信息采集、監(jiān)控平臺

對農(nóng)田信息進行實時、準確、長時間的數(shù)據(jù)采集是灌溉系統(tǒng)實現(xiàn)智能決策、穩(wěn)定控制的最重要的環(huán)節(jié)[5]。原有的信息采集系統(tǒng)受無線通訊模塊工作過程中需足夠電源及通信距離的限制，在一定程度上制約了檢測的面積。筆者在此基礎(chǔ)上研發(fā)了基于ZigBee模塊、170MHz模塊、GSM模塊的節(jié)能型路由協(xié)議混合通訊系統(tǒng)。該通信方式解決了僅用GSM模塊供電不足而不能正常工作，僅用433MHz/2.4GHz通信距離有限的問題。

2.1 農(nóng)田信息采集系統(tǒng)設(shè)計

由于西北地區(qū)農(nóng)作物多種植于鄉(xiāng)村外圍，大部分時間均無人值守，為了延長整個采集系統(tǒng)的生命周期，需采用低功耗、高處理能力的芯片。本系統(tǒng)采用德州儀器公司的MSP430F5222型混合信號處理器單片機，供電范圍為1.8～3.6V，待機電流為1.4μA，休眠喚醒時間3.5μs，兩個通用串行通信接口。

下位機信息采集平臺定時采集空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度及空氣風速信息，將田間的物理信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，利用ZigBee無線模塊將各區(qū)域的下位機通過節(jié)能型路由協(xié)議發(fā)送采集信息至協(xié)調(diào)器。下位機農(nóng)田信息采集系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)下位機農(nóng)田信息采集系統(tǒng)框圖

2.2 節(jié)能型無線路由協(xié)議

農(nóng)田信息無線網(wǎng)絡(luò)多采用433MHz模塊實現(xiàn)無線信息傳輸與控制，受信號繞射能力的限制，傳輸距離大約在1 200m左右。而基于GSM的數(shù)傳模塊在通信距離上解決了上述問題，但在發(fā)送信息和接收信息時會消耗很高的能量，高頻率的與上位機進行通訊需要配充足的電源。具有較高繞射能力的170MHz模塊傳輸距離可達3 500m左右，并且?guī)в凶孕菝吖δ?，相比于以上兩種通信方式，在傳輸距離和功率消耗方面都有著很大的優(yōu)勢。

綜合分析上述問題，本系統(tǒng)的信息采集平臺采用ZigBee模塊將信息上傳至協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器通過170MHz模塊與服務(wù)器控制平臺實現(xiàn)遠距離通訊；遠程用戶借助GSM可與無線控制網(wǎng)絡(luò)建立通信。對于自動化灌溉系統(tǒng)，信息采集平臺的網(wǎng)絡(luò)生命周期越長，系統(tǒng)得到農(nóng)田信息的采集量也就越多，灌溉決策也就越準確。

通過分析LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)(見圖4)與PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)(見圖5)路由協(xié)議的特點(本文在此不贅述)，將改進后的路由協(xié)議LEACH-PEGASIS(見圖6)運用到信息采集平臺中[6-7]。運用結(jié)果表明：改進后的路由協(xié)議延長了WSN的網(wǎng)絡(luò)壽命。試驗結(jié)果表明：信息采集平臺在太陽能供電和充電電池供電的條件下，可在惡劣環(huán)境下正常工作3年以上。

圖4 LEACH模型

圖5 PEGASIS模型

原始LEACH中閾值T(n)計算過程：各節(jié)點到協(xié)調(diào)器距離是不定的，各節(jié)點的能量是不同的，需對T(n)的選取公式進行改進，簇頭選舉算法應(yīng)當優(yōu)先選取能量較高的點。改進后的計算方法為

(1)

其中，En_max為節(jié)點的初始能量，En_current為節(jié)點的當前能量；CH_Times為節(jié)點在以前回合中充當簇首節(jié)點的次數(shù)，Neighbor_num為節(jié)點的鄰近節(jié)點數(shù)目。

WSN各模塊能量在發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，融合數(shù)據(jù)的過程中能量滿足等式(2)～ 式(4)。數(shù)據(jù)發(fā)送消耗能量為

(2)

數(shù)據(jù)接收消耗能量為

ERx(k)=Eelec·k

(3)

數(shù)據(jù)融合消耗能量

EGx(k)=Egather·k

(4)

其中，d為傳輸距離；ETx(l,d)表示傳感器節(jié)點發(fā)送k位數(shù)據(jù)通過距離d時的能耗，由發(fā)射電路耗損和功率放大耗損兩部分；Eelec為發(fā)射電路的耗損能量；εfs和εmp分別表示兩種信道模型下功率放大所需能量。

改進后的路由協(xié)議中每個節(jié)點自動根據(jù)所設(shè)定的限制規(guī)則修改通信路徑,形成通信距離最短、通信延時最短、通信功率消耗最小的最佳通信鏈路。將測得的數(shù)據(jù)通過此協(xié)議上傳至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)進行分解處理后與各區(qū)域所的土壤濕度閾值進行對比。當測得的土壤濕度低于閾值時，協(xié)調(diào)器向本區(qū)域的閥門控制器所管轄的干旱區(qū)發(fā)送開啟命令；指令下發(fā)后，將信息采集系統(tǒng)及控制命令發(fā)送至服務(wù)器控制平臺上供系統(tǒng)分析、推理。試驗表明：改進后的路由協(xié)議LEACH-PEGASIS相比于點對點通信模式(P2P)、LEACH路由協(xié)議及PEGASIS路由協(xié)議具有更長的網(wǎng)絡(luò)生命周期，對比結(jié)果如圖7所示。

3 服務(wù)器控制平臺設(shè)計

系統(tǒng)的服務(wù)器控制平臺主要由工業(yè)控制機、指令執(zhí)行器、無線數(shù)傳模塊、遠程灌溉控制客戶端、模糊灌溉推理機、數(shù)據(jù)庫及施肥器組成。系統(tǒng)借助WSN將農(nóng)田中采集到的數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器控制平臺，通過模糊灌溉系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行實時處理，分析并將處理后的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中；處理得到的結(jié)果以指令的形式發(fā)送到指令執(zhí)行器中，可實現(xiàn)對現(xiàn)場的設(shè)備進行控制；同時，通過無線數(shù)傳模塊以短信的形式發(fā)送至用戶的手機上，供用戶參考；用戶也可發(fā)送短信息確定或取消本次灌溉。

圖7 無線路由協(xié)議對比實驗結(jié)果

3.1 短消息命令執(zhí)行原理

GSM即全球移動通信系統(tǒng)，是當前應(yīng)用最為廣泛的移動電話標準?；贕SM的短信息發(fā)送與接收主要有3種模式：Text模式、Block模式及PDU模式。目前，常用Text和PDU模式進行短信息的發(fā)送與接收。Text模式收發(fā)短信息原理簡單，程序?qū)崿F(xiàn)起來比較容易，但顯著的缺點是只能收發(fā)英文信息而不能收發(fā)中文信息，而PDU(Protocol Data Unit)支持中英文信息的發(fā)送。本系統(tǒng)即采用PDU模式，此模式使用7-bit編碼來發(fā)送ASCII字符，8-bit編碼來發(fā)送數(shù)據(jù)消息，UCS2編碼來發(fā)送Unicode字符。PDU串主要由短信息正文，由SMSC(Short Message Service Center)服務(wù)中心、目標地址、時間標志、編碼方式、目標地址等組成。

本系統(tǒng)采用西門子公司的TC35i數(shù)傳模塊以RS232接口與工業(yè)控制機實現(xiàn)通信。通信前需設(shè)置端口號、波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位及停止位。該模塊采用AT指令編程，通過AT指令可對模塊進行初始化設(shè)置。具體指令如下：

1)AT.收到“OK”即表示模塊正常通訊。

2)AT+CMGF=0.設(shè)置模塊發(fā)送的短信為PDU模式。

3)AT+CSCA=+8613800998500.設(shè)置新疆喀什市為短信息服務(wù)中心。

4)AT+CMGS.向固定號碼發(fā)送短信。

5)AT+CMGR=4.提取發(fā)送端的手機號、短信息狀態(tài)，接收時間等。

3.1.1 短信息接收原理

當用戶通過短消息控制現(xiàn)場水泵時，可編輯信息為“打開泵房水泵”，則數(shù)傳模塊接收到的PDU串為：

"0891683108908905F0240D916881478231597F00085

160309015341662535F0006CF56CF5623F6C346CF5"。

遠程灌溉控制客戶端中的程序需對PDU串進行分解處理，分解采用的原理描述如下：

08：SMSC的服務(wù)中心號碼長度

91：SMSC的地址格式(選用國際號碼格式號碼前加“+”)

683108908925F0：SMSC的中心地址，奇偶交換，后補F(+8613800998500F)

24：SMS_DELIVER的第一個8位

0D：發(fā)送目標地址字符數(shù)

91：使用國際號碼格式

6881478231597F：目標地址，號碼為18742813957

00：TP-PID，協(xié)議標識

08：TP-DCS，用戶數(shù)據(jù)編碼方式

5160309015：TP-SCTS，短信時間信息

16：TP-UDL短信數(shù)據(jù)長度

62535F006CF5623F6C346CF5：短信內(nèi)容，表示“打開泵房水泵”

3.1.2 短信息發(fā)送原理

當用戶下發(fā)“打開泵房水泵”命令執(zhí)行完成后，服務(wù)器控制平臺需向用戶反饋“泵房內(nèi)水泵已打開”，發(fā)送的PDU串為：“0011000D91685137193403F5106CF5

623F51856C346CF55DF262535F00”。PDU串各數(shù)據(jù)位所代表的含義如下：

001100：中國通用短信頭代碼

0D：發(fā)送目標地址字符數(shù)

685137193403F5：目標地址，號碼為15739143015

10：短信長度為16個字節(jié)

6CF5623F51856C346CF55DF262535F00：短信內(nèi)容,表示“泵房內(nèi)水泵已打開”

通過上述的分析，遠程灌溉客戶端將現(xiàn)場設(shè)備動作后的信息轉(zhuǎn)換成PDU串發(fā)送至用戶的手機上，用戶接查看收到信息便可獲悉農(nóng)作物信息和各設(shè)備的狀況。

3.1.3 命令執(zhí)行協(xié)議

用戶通過手機下達控制指令后，TC35i模塊將接受到的短信息通過RS232傳輸至工業(yè)控制器的遠程灌溉客戶端，客戶端通過AT指令將PDU串解析成短信正文部分和輔助信息部分[8]。短信的正文部分經(jīng)過提取和判別，轉(zhuǎn)變成具體的數(shù)據(jù)指令下發(fā)至泵房、施肥器、各協(xié)調(diào)器，可現(xiàn)實對現(xiàn)場設(shè)備的控制，短信指令的執(zhí)行過程如圖8所示。泵房內(nèi)設(shè)備的執(zhí)行器如圖9所示。農(nóng)田中WSN協(xié)調(diào)器如圖10所示，

圖8 短信指令的執(zhí)行流程簡圖

圖9 泵房命令執(zhí)行器

圖10 WSN協(xié)調(diào)器

3.2 智能灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計

土壤水分的盈缺對作物生長有著直接的影響，對灌溉效果最直接的反映就是土壤濕度。對土壤濕度的調(diào)節(jié)不僅需考慮作物生長發(fā)育期，同時也受到溫度、濕度、降雨量、蒸騰等多種環(huán)境條件的影響。因此，在研究大氣連續(xù)體(SPAC)-植物-土壤的復(fù)雜關(guān)系的基礎(chǔ)上，通過農(nóng)田水量平衡原理預(yù)測作物的需水量及灌溉時間來進行科學(xué)灌溉。

本示范田共計91.8hm2，結(jié)合土壤墑情傳感器布點算法在每個灌溉渠科學(xué)配置小型氣象站及土壤溫濕度測點，可實時監(jiān)測空氣溫濕度、空氣風速、光照輻射、雨量及土壤溫濕度，可為系統(tǒng)提供科學(xué)有效的現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)。由于本試驗田屬于西北干旱區(qū)，故采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)推薦的Penman-Monteith公式來計算作物蒸發(fā)量ET0值，并結(jié)合農(nóng)田水量平衡方程預(yù)測農(nóng)田的灌水量[9]。對農(nóng)田進行科學(xué)有效的灌溉不僅能提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，也有效地避免水資源的浪費。對該地區(qū)的環(huán)境進行實時監(jiān)測并保存至數(shù)據(jù)庫，大量的環(huán)境數(shù)據(jù)與農(nóng)業(yè)專家經(jīng)驗相結(jié)合可使智能灌溉系統(tǒng)在設(shè)定各灌區(qū)閾值時更加的精確，為農(nóng)田精良灌溉提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

系統(tǒng)在工作前需對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置，并加載相關(guān)參數(shù)。遠程灌溉控制客戶端每隔5min向各協(xié)調(diào)器下發(fā)環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測命令，同時監(jiān)測各電磁閥狀態(tài)。當下發(fā)的監(jiān)測命令反饋至客戶端時，系統(tǒng)將上傳各地塊的數(shù)據(jù)進行分解、運算、處理，如有灌溉的需求，將以短信的形式發(fā)送給用戶，告知用戶農(nóng)田的灌溉計劃。同時，協(xié)調(diào)器及各終端具有自檢功能，發(fā)送的信息中也包括各設(shè)備的健康狀況，便于用戶對協(xié)調(diào)器和終端的維護。用戶也可將設(shè)定的灌溉計劃發(fā)送至服務(wù)器控制平臺，可進行定時、定量型的灌溉。智能灌溉控制系統(tǒng)的工作原理簡圖如圖11所示。

4 結(jié)論

本系統(tǒng)將無線通信技術(shù)、微機控制、智能算法及數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合，使得現(xiàn)場設(shè)備可實現(xiàn)自動監(jiān)測、自動控制、自學(xué)習及再學(xué)習、智能灌溉等目標；同時，也可使用手機、PDA或PC機遠程控制農(nóng)田灌溉設(shè)備。智能化灌溉可根據(jù)作物需求進行科學(xué)灌溉，提高了作物出苗率，提高了作物產(chǎn)量。通過2015年使用本智能化灌溉系統(tǒng)的結(jié)果可知：本示范田種植棉花比傳統(tǒng)灌溉單產(chǎn)提高10%，以0.8元/kg計算，水利分攤系統(tǒng)0.4，則智能化灌溉工程增效2 400元/hm2。同時,提高了農(nóng)業(yè)用水的利用率，平均田間凈灌溉定額69 000m3/hm2降低到4 500m3/hm2，節(jié)水2 400m3/hm2，泵房灌溉節(jié)電67.5元/hm2。智能化灌溉僅節(jié)水、節(jié)電、提高單產(chǎn)3項可增收2 620.5元/hm2。

圖11 智能灌溉控制系統(tǒng)的工作原理簡圖

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Intelligent Irrigate Control System Design and Implementate Based on WSN and GSM

Chen Lei1, Xu Yan1,2, Li Jianjun1, Wei Zhengying1,2, Zhou Jianping1,2

For the requirements of intelligence irrigation and remote automation in the drip irrigation system of arid area,based on wireless sensor network (WSN) and global system for mobile communication (GSM), we have designed and developed a set of intelligence irrigation control system which can automatically control the equipments on the site.The WSN in the system combined the low-powered field control unit and data acquisition unit with energy-efficient routing protocol,which extend the life cycle of WSN farmland information collection;on the basis of SMS technology (short messaging service) in GSM, we have issued the requirement order on PC control platform;through dealing with the related environment data of irrigated areas and analyzing,the system conducts certain self-study and re-learn,which can realize the automatic control of field equipments.According to the experimental application result of the demonstration bases of scale water-saving irrigation efficiency in kashgar makit county of Xinjiang,this system can adapt to severe natural environment and it is simple to use with strong robustness,all of which can result in extensive popularization and application.

wireless sensor； intelligence irrigation; self-study; automatic control

2016-02-25

新疆維吾爾自治區(qū)高新技術(shù)研究發(fā)展項目(201413102)

陳 磊(1990-)，男，新疆庫爾勒人，碩士研究生，(E-mail)leichenxj@sina.com。

許 燕(1974-)，女，烏魯木齊人，副教授，(E-mail)liuliuxu_z@163.com。

S625.5+1

A

1003-188X(2017)03-0175-06